工業(yè)以太網(wǎng)在城軌車輛中的應(yīng)用研究

劉 佳，任寶兵，馬 悅

（1中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧大連 116052；2動(dòng)車組和機(jī)車牽引與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116052）

目前，我國(guó)城市軌道交通車輛逐步向著舒適化、智能化及多功能化的方向發(fā)展［1］，車輛集成度越來(lái)越高，通信數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，面向乘客服務(wù)信息也越來(lái)越豐富。列車通信網(wǎng)絡(luò)不僅要保證重要信息在列車、車輛及設(shè)備間實(shí)時(shí)可靠傳送，最終用戶特別是乘客的信息交互也對(duì)列車網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高要求［2］。傳統(tǒng)的TCN網(wǎng)絡(luò)已無(wú)法滿足列車對(duì)高速、大數(shù)據(jù)傳輸及強(qiáng)集成性等網(wǎng)絡(luò)性能的需求。以太網(wǎng)以其強(qiáng)大的吞吐能力以及高效的傳輸性能很好地解決了傳統(tǒng)列車網(wǎng)絡(luò)在通信性能上的不足。此外，其靈活的組網(wǎng)方式和良好的可拓展性可建立集列車網(wǎng)絡(luò)控制及旅客信息服務(wù)等諸多功能于一體的新型網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)列車多業(yè)務(wù)融合。將以太網(wǎng)作為列車控制網(wǎng)絡(luò)儼然成為未來(lái)列車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展方向之一［3］。多業(yè)務(wù)融合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為基于以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)，在傳統(tǒng)列車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，屬非重點(diǎn)關(guān)注項(xiàng)，其技術(shù)積累少、實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)不足。通過(guò)優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、精簡(jiǎn)車載通信設(shè)備及布線，實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合和多系統(tǒng)功能融合，進(jìn)一步節(jié)約設(shè)備安裝空間，提高設(shè)備功能集成度，最終實(shí)現(xiàn)整車降本減重，成為列車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和功能集成設(shè)計(jì)的重中之重。

在過(guò)去的幾年中，繼龐巴迪公司首次將基于以太網(wǎng)的列車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于城軌車輛后，西門子、EKE等諸多國(guó)際知名軌道交通企業(yè)相繼提出了各自基于以太網(wǎng)的列車控制方案［4-5］。國(guó)內(nèi)關(guān)于列車以太網(wǎng)通信技術(shù)的相關(guān)研究起步較晚，目前，各大整車制造商對(duì)純以太網(wǎng)控車技術(shù)在城市軌道交通車輛中的應(yīng)用研究尚處于起步階段［6］。因此，研究基于以太網(wǎng)的整車多業(yè)務(wù)融合網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建形式對(duì)于發(fā)展下一代列車網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)自主核心技術(shù)具有重要意義。

1 列車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

相較于總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單一的傳統(tǒng)TCN網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)在組網(wǎng)靈活性上展現(xiàn)了其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)性能。線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、梯形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、單歸屬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、雙歸屬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，形式多樣的基本網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為列車網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建形式提供了多種選擇［7-8］。本節(jié)從成本、可靠性及整車布線難易程度等方面出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種成本低廉、可靠性高、跨車線少及通用性強(qiáng)的列車以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并從多個(gè)維度對(duì)該拓?fù)涞目煽啃赃M(jìn)行了分析。

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

整車網(wǎng)絡(luò)采用兩級(jí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。列車級(jí)網(wǎng)絡(luò)由2個(gè)冗余的ETBN采用線性鏈路聚合的形式連接而成，用以實(shí)現(xiàn)列車重聯(lián)功能。車輛級(jí)以太網(wǎng)干網(wǎng)由若干個(gè)管理型交換機(jī)兩兩相接組成一個(gè)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)設(shè)備自身對(duì)冗余度的要求，終端設(shè)備可采用雙歸屬或單歸屬的形式接入車輛網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，如圖1所示。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)核心控制設(shè)備，可直接采用雙設(shè)備冗余的連接方式接入列車網(wǎng)絡(luò)，以提高設(shè)備可靠性，具體連接方式如圖2所示。

圖2 雙設(shè)備冗余拓?fù)?/p>

1.2 可靠性分析

本節(jié)以雙歸屬模式為例，對(duì)圖1所示整車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸墓δ芡暾越嵌冗M(jìn)行可靠性分析，并對(duì)1.1節(jié)所提各種連接方式進(jìn)行了可靠性比較。

（1）ETBN故障

具有Bypass功能的2個(gè)ETBN能夠保證當(dāng)任意一個(gè)ETBN故障時(shí)，仍有1個(gè)ETBN可以維持原有功能。

（2）列車干網(wǎng)故障

2個(gè)ETBN間采用鏈路聚合的形式連接，由此可以保證當(dāng)任意一根網(wǎng)線故障時(shí)，編組間通信不會(huì)因此中斷。

（3）交換機(jī)故障

任意一個(gè)ED同時(shí)連接到2個(gè)交換機(jī)，任意一個(gè)交換機(jī)故障，不會(huì)影響到連接至該交換機(jī)上ED在網(wǎng)絡(luò)中的功能完整性。

（4）車輛環(huán)網(wǎng)故障

環(huán)形網(wǎng)絡(luò)保證了當(dāng)組成環(huán)網(wǎng)的任意一根線纜斷開時(shí)網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)重構(gòu)，進(jìn)而保證了列車的網(wǎng)絡(luò)完整性。

（5）ED網(wǎng)卡故障

雙歸屬ED保證了當(dāng)ED中的任何一個(gè)網(wǎng)卡故障時(shí)，該ED的通信仍可由另一個(gè)網(wǎng)卡完成，不會(huì)因此而導(dǎo)致該ED功能的缺失。

（6）ED系統(tǒng)故障

ED系統(tǒng)故障會(huì)導(dǎo)致該終端設(shè)備功能的缺失。

（7）ED-CS網(wǎng)絡(luò)連接故障

功能正常的ED，同樣可能因?yàn)镋D與交換機(jī)之間網(wǎng)絡(luò)連接的故障而導(dǎo)致該ED不能正常通信。有兩根網(wǎng)線同時(shí)連接至兩個(gè)交換機(jī)，可以保證當(dāng)與其中一個(gè)交換機(jī)連接故障時(shí)，信息可以經(jīng)連接至另一個(gè)交換機(jī)上的網(wǎng)線傳輸。

相比于雙歸屬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓谏鲜?種故障情況下的可靠程度隨著冗余程度的下降而下降，具體分析見表1。

表1 不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煽啃詫?duì)比表

2 多業(yè)務(wù)融合功能設(shè)計(jì)

城軌列車作為一個(gè)高度集成化的工業(yè)產(chǎn)品，其內(nèi)部集成了包括列車監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、車地?zé)o線系統(tǒng)、火警系統(tǒng)在內(nèi)的十幾個(gè)子系統(tǒng)，而且隨著整車設(shè)計(jì)水平的不斷提高，整車集成度還在不斷地增加。實(shí)現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)互通、系統(tǒng)高度集成一體化逐漸成為未來(lái)城軌行業(yè)業(yè)界共識(shí)［9］。由于傳統(tǒng)TCN網(wǎng)絡(luò)兼容性差，導(dǎo)致各子系統(tǒng)自成網(wǎng)絡(luò)，維護(hù)網(wǎng)也不得不獨(dú)立于列車總線之外。以太網(wǎng)以其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)兼容性徹底打破了傳統(tǒng)列車網(wǎng)絡(luò)多網(wǎng)并存的網(wǎng)絡(luò)模式，列車干網(wǎng)真正成為了不同業(yè)務(wù)網(wǎng)的共同載體。通過(guò)對(duì)管理型交換機(jī)的應(yīng)用，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)不同功能網(wǎng)的管理。

整車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)可根據(jù)各業(yè)務(wù)網(wǎng)的實(shí)際功能需求為每個(gè)業(yè)務(wù)網(wǎng)提供一套獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)傳輸通道，如圖3所示。同一終端設(shè)備可分屬于多個(gè)業(yè)務(wù)網(wǎng)；同一個(gè)業(yè)務(wù)網(wǎng)可包含多個(gè)終端設(shè)備；對(duì)于有大數(shù)據(jù)傳輸及高可靠性需求的設(shè)備，可采用鏈路聚合形式與交換機(jī)相連，使得交換機(jī)可根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸量對(duì)傳輸路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理，以此提高傳輸效率及可靠性；對(duì)于有跨業(yè)務(wù)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸需求的功能，可選用三層交換機(jī)構(gòu)建環(huán)網(wǎng)拓?fù)?，此外，該網(wǎng)絡(luò)模型還可支持多通道熱備跨網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖3 環(huán)網(wǎng)多業(yè)務(wù)融合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

3 應(yīng)用實(shí)例分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證文中所提設(shè)計(jì)方案的實(shí)用性，本節(jié)以某4編組列車為例，對(duì)該列車所采用的適應(yīng)多業(yè)務(wù)融合的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。

由4臺(tái)管理型交換機(jī)組成的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)作為整車通信干網(wǎng)，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)保證了當(dāng)任意一根網(wǎng)線故障時(shí)，整車網(wǎng)絡(luò)通信不受影響，如圖4所示。分布于各節(jié)車上的設(shè)備直接與所在車節(jié)的交換機(jī)相連；綜合考慮整車布線難易程度、成本控制及可靠性保證等因素，對(duì)于列控系統(tǒng)核心部件，采用雙設(shè)備冗余的方式接入整車網(wǎng)絡(luò)，該拓?fù)浞绞奖ＷC了該設(shè)備所在線路或節(jié)點(diǎn)故障時(shí)設(shè)備功能的完整性；對(duì)于TCU類重要系統(tǒng)設(shè)備，采用雙歸屬策略接入整車網(wǎng)絡(luò)，其余設(shè)備采用單歸屬形式接入整車網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)有2種數(shù)據(jù)傳輸需求的設(shè)備，每種數(shù)據(jù)經(jīng)單獨(dú)的傳輸通道與交換機(jī)通信。

圖4 適應(yīng)多業(yè)務(wù)融合的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋺?yīng)用實(shí)例

整車網(wǎng)絡(luò)劃分為過(guò)程數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)、車地?zé)o線數(shù)據(jù)及特定子系統(tǒng)內(nèi)部通信4個(gè)功能子網(wǎng)，為精簡(jiǎn)列車布線，維護(hù)數(shù)據(jù)與過(guò)程數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)為共用同一子網(wǎng)；視頻功能網(wǎng)主要包含一體化HMI及PIS主機(jī)，負(fù)責(zé)視頻信息、流媒體信息及語(yǔ)音信息的播報(bào)與顯示；車地?zé)o線子網(wǎng)為兩路冗余的車地?zé)o線傳輸通道開辟獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)傳輸空間。此外，個(gè)別子系統(tǒng)有內(nèi)部通信的需求（如火警系統(tǒng)），該網(wǎng)絡(luò)同樣為有這類需求的系統(tǒng)提供了單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)劃分。整車通信干網(wǎng)為各功能子網(wǎng)提供公共的車間傳輸通道，不同功能子網(wǎng)的數(shù)據(jù)在各自的子網(wǎng)內(nèi)傳輸，避免了設(shè)備之間的干擾，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率及可靠性。

為容納更多的設(shè)備，該網(wǎng)絡(luò)模型中，子網(wǎng)掩碼設(shè)為18位（即255.255.192.0），其中192所在字節(jié)的高2位用于子網(wǎng)劃分。過(guò)程數(shù)據(jù)VLAN的IP地址設(shè)定為10.0.0.0/18，視頻數(shù)據(jù)VLAN的IP地址設(shè)定為10.0.64.0/18，子系統(tǒng)內(nèi)部通信VLAN的IP地址設(shè)定為10.0.128.0/18，車地?zé)o線VLAN的IP地址設(shè)定為10.0.192.0/18。過(guò)程數(shù)據(jù)VLAN所連設(shè)備默認(rèn)網(wǎng)關(guān)為10.0.0.1，車地?zé)o線VLAN所屬設(shè)備默認(rèn)網(wǎng)關(guān)為10.0.192.13和10.0.192.14。其余VLAN默 認(rèn) 網(wǎng) 關(guān) 為 空。CS1-CS4中VLAN1的IP配置為10.0.0.11-14，VLAN2及VLAN3的IP配 置 為空，VLAN4的 在CS2及CS3中 的IP配 置 為10.0.192.13和10.0.192.14。限于篇幅，詳細(xì)配置不再贅述。所有設(shè)備按照上述規(guī)則進(jìn)行IP配置，過(guò)程數(shù)據(jù)VLAN按照標(biāo)準(zhǔn)TRDP協(xié)議通信，通信周期50 ms；視頻數(shù)據(jù)VLAN傳輸全車14路攝像頭及語(yǔ)音信息；車載數(shù)據(jù)通過(guò)車地?zé)o線VLAN向地面實(shí)時(shí)傳輸車載數(shù)據(jù)；火警系統(tǒng)按照特定的傳輸協(xié)議在內(nèi)部通信VLAN中進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)通信。隨機(jī)對(duì)一段時(shí)間內(nèi)干網(wǎng)帶寬進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如圖5所示，同時(shí)在過(guò)程數(shù)據(jù)VLAN中任意挑選一個(gè)組播通信進(jìn)行通信質(zhì)量監(jiān)控，如圖6所示，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，在進(jìn)行大負(fù)載傳輸情況下，過(guò)程控制數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)穩(wěn)定，各子網(wǎng)間無(wú)干涉，整車網(wǎng)絡(luò)性能總體良好，一體化顯示屏監(jiān)控信息如圖7所示。

圖5 總線帶寬監(jiān)測(cè)信息

圖6 過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)信息

圖7 一體化HMI監(jiān)控信息

4 結(jié)束語(yǔ)

以基于以太網(wǎng)技術(shù)的列車通信網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象，利用工業(yè)以太網(wǎng)在現(xiàn)有軌道交通車輛上的應(yīng)用成果，在綜合考慮優(yōu)化列車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、精簡(jiǎn)車載通信設(shè)備及整車布線等多方面因素的基礎(chǔ)上，為現(xiàn)有軌道交通車輛提出的適應(yīng)多業(yè)務(wù)融合的列車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，能夠有效減少車載通信及終端顯示設(shè)備數(shù)量，提高車載設(shè)備利用率，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，該拓?fù)渚哂休^強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)兼容性以及良好的通信性能，能夠顯著提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的綜合應(yīng)用效率?？梢灶A(yù)見，文中所提基于以太網(wǎng)的適應(yīng)多業(yè)務(wù)融合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法在未來(lái)的城市軌道交通市場(chǎng)將會(huì)擁有較好的應(yīng)用前景。